毕业设计（论文）-基于ProE的汽车变速器齿轮的参数化建模及运动仿真.doc

ee 题 目 基于 Pro E 的汽车变速器齿轮的 参数化建模及运动仿真 学生姓名 ee 学号 ee 所在学院 机械工程学院 专业班级 ee 指导教师 ee 完成地点 ee 2009 年 06 月 11 日 ee 基于 Pro E 的汽车变速器齿轮的 参数化建模及运动仿真 作者 ee ee 指导教师 ee 摘要摘要 应用参数化设计 便于实现系列化设计 可缩短产品的研发周期 减少重复设计 节约研发 成本 参数化建模是通过定义一组参数来表达产品的形状特征 并以这些参数控制设计结果 从而达 到调整参数可修改模型的目的 运动仿真是根据设计意图定义机构中的连接 设置伺服电机 然 后运行机构分析 观察机构的整体运动轨迹和各零件之间的相对运动 以检测机械的干涉情况 本 文讨论在 ProEngineer 环境下 对汽车变速器中的斜齿轮进行三维参数化建模及运动仿真 并分析 参数化建模及运动仿真的特点 关键词关键词 斜齿轮 参数化建模 运动仿真 ee Based on Pro E automotive transmission gears Parametric Modeling and Simulation ee ee Tutor ee Abstract This article will discussthe environment in ProEngineer Automotive transmissions in three dimensional helical gear parametric modeling and motion simulation analysis of parametric modeling and motion simulation features It is defined by a set of parameters to express the characteristics of the shape of the product these parameters control the design and results adjustment parameters can be modified so as to achieve the purpose of the model Accountants can directly start the organization in motion analysis module in ProEngineer defined according to the design intent of the connection mechanism the servo motor and run the analysis mechanism the relative movement of the parts and the whole trajectory between the observation means to detect the interference of the machine And the use of the module designers also can be a variety of measurements and saves the results of the analysis in the form of videos Application of parametric design can easy to implement serialization designed to shorten product development cycles reduce duplication of design saving development costs Key words Helical gear Parametric modeling Motion Simulation ee I 目目 录录 1 1 概述概述 1 1 1 汽车变速器齿轮参数化设计的发展 1 1 2 齿轮传动的主要类型 2 1 3 齿轮的发展现状和前景分析 3 1 3 1 齿轮的发展现状 3 1 3 2 齿轮的发展前景分析 4 1 4 参数化设计的研究 5 2 2 齿轮传动的相关设计参数齿轮传动的相关设计参数 9 2 1 齿轮传动的设计准则及相关系数 9 2 1 1 齿轮传动的设计准则 9 2 1 2 齿轮传动的设计系数 9 2 2 齿轮传动的设计参数及许用应力 10 3 3 斜齿轮的基本参数及几何尺寸计算斜齿轮的基本参数及几何尺寸计算 10 3 1 齿面接触疲劳强度分析 10 3 2 齿根弯曲疲劳强度分析 12 3 3 渐开线齿轮的基本参数 14 3 4 斜齿轮相关参数的计算 14 3 4 1 按齿面接触疲劳强度设计 1 3 4 2 按齿根弯曲疲劳强度计算 16 3 4 3 几何尺寸计算 16 4 4 斜齿轮的三维参数化建模斜齿轮的三维参数化建模 17 4 1 设置齿轮的基本参数 17 4 2 绘制齿轮基本圆曲线 创建齿轮关系 确定齿轮尺寸 18 4 3 创建齿轮轮廓渐开线 19 4 4 创建齿轮的螺旋曲线 20 4 5 创建齿廓曲线 利用齿廓渐开线完成一端齿廓曲线的创建 22 4 6 齿轮造型 24 4 7 齿轮参数改变前后对比 26 5 5 斜齿轮的运动仿真斜齿轮的运动仿真 27 5 1 计算齿轮的中心矩 27 5 2 进行齿轮装配 27 5 3 创建伺服电动机 28 ee II 5 4 进行运动分析 28 5 5 测量结果分析 29 6 6 结论结论 33 致谢致谢 34 参考文献参考文献 35 ee 1 1 1 概述概述 1 11 1 汽车变速器齿轮参数化设计的发展汽车变速器齿轮参数化设计的发展 汽车变速器齿轮参数化及运动仿真的研究可以改善传统的设计上计算工程繁琐 容易出错 且设计周期长 重复劳动量大 浪费人力的缺点 利用参数化创新设计 可以提高设计质量 减少 重复计算的工作量 缩短设计周期 因此开发一套实用齿轮参数化创新设计系统具有重要的意义 Pro E 和齿轮参数化设计的相结合将有效的推动齿轮的设计工作 并且通过使用 Pro ENGINEER 关 联性功能 族表以及 Program 二次开发工具 还可以方便地实现变速器的参数化设计和自动特征建 模 及其参数化模型库的建立 这二者的结合不仅提高了设计效率和质量 也为汽车变速器齿轮的 进一步开发有限元分析 运动仿真 数控加工等其他功能模块奠定了基础 近年来 汽车变速器齿轮的设计制造技术的发展 在一定程度上标志着一个国家的工业水平 因此 开拓与发展齿轮参数化及运动仿真创新设计技术具有广阔的前景 这种参数化创新设计方法 的有点在于它充分分析了确定齿轮的各个参数之间的关系 将确定齿轮的参数减少到了最少 这样 只需要从用户那里得到确定这些参数的设计要求 既可以在最短时间内设计出成本最低的齿轮的模 型 这种创新参数化设计方法另一个优点是在于紧密的集合了用户的需求 这种参数化设计方法的思想同样可以推广到其他零件的设计中 分析用于设计零件的各个参数 之间的关系 将确定的零件的参数减到最少 这样只需要从用户那里得到确定这些最少的参数的要 求即可在最短时间内设计出成本最低的零件 参数化设计方法作为一种全新的设计方法现在已广泛 被工业界所采用 它所具有的高效性 实用性等特点使其成为设计工作的发展方向 参数化设计应 用水平的高低直接决定了企业设计效率与设计质量的高低和企业核心竞争力的强弱 这是关系到企 业长久生存与发展的重大问题 在此基础上 充分运用 Pro Engineer 的二次开发工具 Pro Program Pro Toolkit Family Table 的功能 进行参数化设计研究与开发工作 使用 Pro Program 进行渐开线圆柱齿轮的参数化建模 该模型可以灵活地选择创建直齿轮 左旋式斜齿轮 右旋式斜 齿轮及变位齿轮 采用非常直观的提示性的语句逐步输入参数的方法便可生成模型 此外 还可以 选择是否创建齿轮的轮毂 轮辐等结构 该方法对各种复杂零件的自动化建模具有一定有指导意义 所创建的参数化的链轮模型可以选择创建单排 双排或三排链轮 并且可以选择轮毂结构形式 具有 较大的灵活性 在此基础上 进一步运用 Pro Toolkit 与 VC 6 0 编程环境 开发出参数化的齿轮 链 轮建模系统 该系统具有直观 友好的对话框界面 包含了各种不同类型的齿轮及链轮 使用时只需 要输入一些基本的参数就可以生成相应的三维模型 该系统给齿轮及链轮的三维建模工作带来的极 大的便利 通过三维模板及二维工程图的定制 大大提高了使用 Pro Engineer 建模的效率 也给二维 工程图及 BOM 材料清单 的创建带来事半功倍的效果 运用 Family Table 的强大功能 创建了标准 零件库并实现零件库与 Pro Engineer 的集成 可以方便地进行直接调用 该零件库减少了产品设计中 对于标准件设计中繁琐且重复性的工作 文中所提到建库方法具有一定的推广性 专门应用领域的 用户可用文中所提到的方法来扩充自己所需的标准件库和通用件库 提高开发效率和质量 1 21 2 齿轮传动的主要类型齿轮传动的主要类型 齿轮传动是机械传动中的主要形式之一 由于它具有速比范围大 功率范围广 结构紧凑可靠 等优点 已广泛应用于各种机械设备和仪器仪表中 成为现有机械产品中所占比重最大的一种传动 随着生活质量的提高 对使用工具也越来越追求完美 为了实现传动性能优化 人们对齿轮的 ee 2 认识逐渐深入 20 世纪 40 年代 渐开线理论开始出现 到 50 年代为了提高承载能力 提出了齿 轮齿廓和齿向修形的设计方法 60 年代 人们开始研究直齿 斜齿和锥齿等的表面疲劳强度和可 靠性 80 年代 齿轮传动系统中又增加了少齿差行星传动 新型伺服传动 新型蜗杆传动等新类 型 90 年代国外的产品在技术上普遍经历了一次新的更新换代 使承载能力大幅提高 模块化设 计程度更高 更容易实现零件的批量生产 此外进一步采取降噪措施 改进了密封和外观 1 3 齿轮的发展现状和前景分析齿轮的发展现状和前景分析 1 31 齿轮的发展现状 齿轮传动装置是由多个齿轮组成的传动机构 利用齿轮的啮合原理 将原动机的转速转换到所 需要的转速 并得到相应扭矩 齿轮传动装置是机械装备的重要基础件 与带链 摩擦 液压等传 动相比 具有功率范围大 传动效率高 运动平稳 传动比准确 使用寿命长 结构紧凑等一系列 特点 其安全 可靠 性价比优越的特点 决定了它在通用机械装备领域中的不可替代性 按照产品用途 齿轮行业可以细分为三类 车辆齿轮 工业齿轮及齿轮专用装备 车辆齿轮产 品应用的领域包括各类汽车 摩托车 工程机械 农机和军用车辆等 工业齿轮产品应用的领域包 括船用 矿山 冶金 航空 电力等 齿轮专用装备主要为齿轮专用机床 刀具等齿轮制造配套设 备 按国内销售情况统计 车辆齿轮产品占比约为60 工业齿轮产品占比约为38 1 国外齿轮行业发展现状 一直以来 欧美国家凭借先进的技术 在国际高端齿轮传动与驱动部件的制造行业中始终占有 领先地位 从具体产品市场看 国际工业齿轮的市场规模最大 竞争也最激烈 根据前瞻研究中心 的行业研究报告 目前 国际工业齿轮每年大约有160亿美元的市场规模 但由于工业齿轮行业产 品种类多样 整体集中度较低 其中前10大制造商市场份额合计约20 国际高端齿轮传动在产品 的设计的先进性 产品的功率密度 噪音指标和测试检测手段仍然比国内的整体水平有较大幅度的 领先 2 国内齿轮行业发展现状 近十年内 中国齿轮行业快速发展 行业规模不断扩大 在 十一五 期间 根据国家统计局 及中国齿轮专业协会公布的数据 2005 2010年中国齿轮行业的工业总产值逐年增加 且同比增幅 均在18 00 以上 2009年实现工业总产值781 85亿元 2010年实现工业总产值946 35亿万元 齿轮 行业已成为中国机械基础件中规模最大的行业 目前中国齿轮行业市场供求状况基本平衡 规模增 长较快 中国齿轮行业销售产值一直保持稳定的增长 根据国家统计局及前瞻研究中心数据 2010 2011年中国齿轮制造行业销售利润率保持在13 以上 行业获利能力较强 盈利能力保持平稳 的态势 至2011年 我国齿轮工业年产值在2000万元以上的企业903家 已形成了国有控股企业 外资独资与合资企业 民营企业三足鼎立的局面 并各具特点 中国齿轮工业的基础是由国有控股 企业组成 近十年来国有控股企业发展迅速 已发展出多家销售额10亿元以上的企业 外资独资与 合资企业技术先进 市场运作比较成熟 民营企业发展迅速 正在进入国际市场 部分企业的销售 规模已超过50亿元 根据国家统计局数据表明 在齿轮行业中 民营企业的地位越来越显著 1 3 2 齿轮发展前景分析 齿轮行业的发展与下游行业息息相关 近年来我国经济持续高速发展 许多产业的发展势头迅 猛 其中房地产业 造船业 汽车业和风力发电等产业的增长速度居于全球前列 从而带动了工程 机械传动装置 船用齿轮箱 汽车变速器和风电增速箱等齿轮产品的高速增长 ee 3 齿轮传动装置是机械装备的重要基础件 齿轮行业的发展对中国机械行业有着至关重要的作用 齿轮行业总体规模近年来持续增长 具有良好的市场前景 但我国齿轮行业高端产品的质量稳定性 可靠性与发达国家有较大差距 目前尚有较大数量的高端齿轮产品依靠进口 据国家海关总署统计 我国齿轮产品年进口额2007年为49 61亿美元 至2011年增加到109 88亿美元 进口的产品主要为车 辆自动变速器 因此 国内齿轮制造企业需要提高技术水平和创新能力 发展高端产品 培养与国 际大型跨国公司在高端产品市场的竞争能力 近年来 国内齿轮行业有以下发展趋势 首先是齿轮行业在装备制造业中的地位 作用得到了肯定和提升 2011年 工信部发布了 机 械基础件 基础制造工艺和基础材料产业 十二五 发展规划 齿轮行业定位为国家装备制造业 的重要基础件行业 其次是自主创新 转型升级已成为企业的自发行动 2011年 很多企业围绕 专 精 特 的 发展模式 在优化 整合各类资源的基础上 集中力量提升企业自主创新能力 突出主导产品优势 抢占高端产品市场 加强创建企业品牌 取得了不俗的业绩 再次是企业通过兼并重组 战略转移使产业聚集效应逐步显现 产业集中度稳步提高 资源优 化配置日益明显 21 世纪 世界齿轮研究的重点在于高速 重载 长寿命 低成本传动系统的研究 人们 纷纷从齿轮的齿形 齿轮啮合的原理着手 在计算机日益发展的时代趋向运用计算机软件来模拟 研究齿轮的啮合原理 运动优化 有限元等现在设计理论方法设计齿轮逐步发展 其目的在于获得 新型的 高效 低噪音 高性能的齿轮 1 1 4 4 参数化设计的研究参数化设计的研究 参数化设计方法的研究工作最早可追溯到 20 世纪 60 年代早期 首次将几何约束表示为非 线性方程来确定二维几何形体的位置 后来经过进一步发展 并使之实用化 自从 FTC 公司于 1985 年推出参数化 CAD 系统 Pro E 以来 参数化技术菜真正受到工程技术界和学术界的重视 各 大计算机软件公司相继推出自己的参数化 CAD 系统或在原有的系统上增加参数化功能 展开激烈的 竞争 近几年来 以 MIT 较早期的研究成果为基础 以 Pro E 的参数化造型系统为先驱 参数化设计 技术得到了迅猛的发 参数化造型设计是指设计对象的结构形状比较定型 可以由一组参数来约束 其几何形状和尺寸的关系 其中几何约束用于保证特征的几何形状及与已有特征的连接关系 如平 行 垂直和共线等约束 尺寸约束用于通过尺寸驱动来改变特征的大小 并保证其与已有特征的尺 寸关系 参数与设计对象的控制尺寸有显示对应关系 通过修改参数和进行尺寸驱动可得到不同形 状和尺寸的设计模型 利用 Pro E 进行参数化设计的基本步骤如下 1 根据图纸和自由变化参数表确定建模方法 2 创建参数化建模 3 设置参数之间的关系 也可在创建模型时设置 4 提取自由变化 参数 5 创建零件库 输入零件系列数据 创建零件模型 6 调入生成的模式 检查模型创 建是否有误 参数化设计是近几年发展起来的先进造型技术 它是 CAD 技术应用领域内的一个重要的 需要 进一步研究的课题 利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统 可使设计人员从大量繁重而琐 碎的绘图工作中解脱出来 来对产品进行合理的设计 从而大大提高设计速度 并减少信息的存储 ee 4 量 而且有助于减轻设计人员的工作强度 参数化建模技术室 CAD 的核心技术 是新一代继承化 CAD 系统应用研究的热点理论 也是齿轮参数化造型的基础理论依据 对齿轮建模和系统设计起着 指导性作用 另外 研究国内外齿轮 CAD 参数化设计的发展状况 可以借鉴前人的研究成果 对齿 轮的参数化研究有一定的知道意义 齿轮传动的精确性随着优化设计和 CAD 技术在国内外的飞快发展 在新产品设计方面普遍进行 参数优化 这样他们在追踪市场 缩短技术准备周期 保证产品性能方面占了很大优势 目前 市 场上有很多关于齿轮传动的设计系统 但是都或多或少存在着不完整的地方 例如 有的软件只具 有几何参数化功能 后来即使实现了齿轮造型的功能 模型确非常粗糙 甚至是实用圆弧等简单曲 线代替渐开线对齿廓曲线进行造型 不能很好的表达渐开线齿廓的几何特性 还有一些软件没有充 分的注重设计者的主观能动性 表现在 一些经验参数的选取直接采用了系统默认值 当输入的唯 一初始值时 只能设计出唯一的结果 少数单位也开发了较为完整的齿轮设计软件 虽然比较适于 生产实际的需要 价格却很高 因此在生产实际中 很多设计人员为了在特定的要求下进行齿轮的 设计和造型看 仍然使用手动设计这一古老的方法 这种方法工作量大 效率很低 容易出错 关 于齿轮零件参数化三维计算机辅助设计 国内外不少学者进行了研究 李新华以 VBA 作为开发工具 根据特征参数化造型思想 开发出了特征的参数化齿轮系统生成模块 提高了绘图效率 王穗选用 大型软件 DEAS 作为开发平台 通过选择齿轮各部件有关的基本结构形式参数和主要的结构尺寸参 数建立起各零件及子系统的简化模型库等 在现代工业中 齿轮传动是应用最为广泛的一种传动方式 为了保证 在齿轮传动设计中 对 齿轮的精确建模显得尤为重要 如何提高和保证齿轮传动的精确性是目前齿轮建模研究领域的重点 研究方向 目前 齿轮建模方法有很多 如描点法 参数法 利用插件法等各种方法 1 描点法 描点法是构建齿轮参数化模型通用的方法 其建模过程一般为 首先建立齿廓曲线的数学模型 求取曲线上点的坐标 然后根据坐标值描绘出齿廓曲线草图 最后通过各种三维建模软件的三维建 模功能建立齿轮的三维模型 它可以推广至各种不同齿廓曲线齿轮的建模 只要建立相应的齿廓曲 线的数学模型 利用计算软件求得一系列离散点的坐标值 在三维造型软件中描点绘出齿廓曲线草 图后 进行拉伸或者切除等命令即可得到齿轮的三维模型 其建模过程比较繁琐 但只要建立精确 的数学模型 多取些型值点就可以获得较高的曲线精度 从而提高三维建模的精度 2 参数法 参数法是利用描点法中论述的相应的齿廓曲线算法编写程序 建立一个通用的齿轮模板文件 在进行齿轮建模时只需调用相应的模板文件 通过修改相应参数 自动生成所需的齿轮模型 此种 建模方法因模板文件已将描点法中的分析曲线 建立数学模型 计算型值点坐标等过程编写成程序 内置 故其界面比较简单 对于常用的标准齿轮建模 只要精度要求不是很高 采用这种方面很方 便 用户只需输入参数 就可方便迅速地建立所需的齿轮模型 3 利用插件法 利用插件法是一种非常便捷的齿轮建模方法 现在的三维建模软件 大多提供了丰富的数据接 口 目前市场上有很多发展成熟的第三方插件可供选用 以 GearTrax 为例 其功能强大且易学易 用 用户只需打开其界面 在 GearTrax 中选定齿轮参数后 点击 绘制 即可完成齿廓曲线的绘 制 然后在各种不同的三维建模软件中通过拉伸 切除特征等一系列操作 即可得到相应齿轮的三 ee 5 维模型 2 电机选择电机选择 2 1 电动机选择电动机选择 倒数第三页里有东东 倒数第三页里有东东 2 1 1 选择电动机类型选择电动机类型 2 1 2 选择电动机容量选择电动机容量 电动机所需工作功率为 w d P P 工作机所需功率为 w P 1000 Fv Pw 传动装置的总效率为 ee 6 4321 传动滚筒 96 0 1 滚动轴承效率 96 0 2 闭式齿轮传动效率 97 0 3 联轴器效率 99 0 4 代入数值得 8 099 097 0 99 096 0 224 4321 所需电动机功率为 kWkW Fv Pd52 10 6010008 0 4010000 1000 略大于 即可 d P d P 选用同步转速 1460r min 4 级 型号 Y160M 4 功率为 11kW 2 1 3 确定电动机转速确定电动机转速 取滚筒直径mmD500 min 6 125 500 100060 r v nw 1 分配传动比 1 总传动比 62 11 6 125 1460 w m n n i 2 分配动装置各级传动比 取两级圆柱齿轮减速器高速级传动比 03 44 1 01 ii 则低速级的传动比 88 2 03 4 62 11 01 12 i i i 2 1 4 电机端盖组装电机端盖组装 CAD 截图截图 ee 7 图 2 1 4 电机端盖 2 2 运动和动力参数计算运动和动力参数计算 2 2 1 电动机轴电动机轴 mN r kW n P T nn pp m d 81 689550 min 1460 52 10 0 0 0 0 0 2 2 2 高速轴高速轴 mN r kW n p T nn pp m d 09 68 1460 41 10 95509550 min 1460 41 10 1 1 1 1 41 2 2 3 中间轴中间轴 ee 8 mN rr kW n p T i n n ppp 6 263 2 362 10 10 95509550 min 2 362min 03 4 1460 10 1097 099 0 52 10 2 2 2 01 1 2 3200112 2 2 4 低速轴低速轴 mN r kW n p T i n n ppp 8 7359550 76 125 69 9 9550 min 76 125 88 2 2 362 69 9 97 099 0 10 10 3 3 3 12 2 3 3210223 2 2 5 滚筒轴滚筒轴 mN r kW n p T i n n ppp 720 76 125 49 9 95509550 min 76 125 49 9 99 0 99 069 9 4 4 4 23 3 4 4220334 ee 9 3 齿轮计算齿轮计算 3 1 选定齿轮类型 精度等级 材料及齿数选定齿轮类型 精度等级 材料及齿数 1 按传动方案 选用斜齿圆柱齿轮传动 2 绞车为一般工作机器 速度不高 故选用 7 级精度 GB 10095 88 3 材料选择 由表 10 1 选择小齿轮材料为 40Cr 调质 硬度为 280 HBS 大齿 轮材料为 45 钢 调质 硬度为 240 HBS 二者材料硬度差为 40 HBS 4 选小齿轮齿数 大齿轮齿数 取24 1 z76 9603 4 24 2 z 97 2 z 5 初选螺旋角 初选螺旋角 14 3 2 按齿面接触强度设计按齿面接触强度设计 由 机械设计 设计计算公式 10 21 进行试算 即 3 0 1 12 H EH d t t ZZTK d 3 2 1 确定公式内的各计算数值确定公式内的各计算数值 1 试选载荷系数1 6 1 t k 2 由 机械设计 第八版图 10 30 选取区域系数 433 2 h z 3 由 机械设计 第八版图 10 26 查得 则 78 0 1 87 0 2 65 1 21 4 计算小齿轮传递的转矩 mmNmmN n p T 108 6 1460 41 1010 5 9510 5 95 4 5 1 0 5 1 5 由 机械设计 第八版表 10 7 选取齿宽系数1 d 6 由 机械设计 第八版表 10 6 查得材料的弹性影响系数MPaZe8 189 7 由 机械设计 第八版图 10 21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极 限 大齿轮的接触疲劳强度极限 MPa H 600 1lim MPa H 500 2lim 13 计算应力循环次数 9 11 103 61530082114606060 h jLnN 91 2 1056 1 03 4 N N 9 由 机械设计 第八版图 10 19 取接触疲劳寿命系数 90 0 1 HN K 95 0 2 HN K ee 10 10 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1 安全系数 S 1 由 机械设计 第八版式 10 12 得 MPaMPa S KHN H 5406009 0 1lim1 1 MPaMPa S KHN H 5 52255095 0 2lim2 2 11 许用接触应力 MPa HH H 25 531 2 21 3 2 2 计算计算 1 试算小齿轮分度圆直径d t 1 4 0 3 1 21 tHE t d H K TZ Z d 324 86 0 1046 16 34 1046 167396 0 10738 121 3 9 56mm 2 计算圆周速度v0 sm ndt 78 3 100060 56 491460 100060 11 3 计算齿宽及模数 1 1 cos 49 56 t nt mm d m z 2mm z d m t nt 1 1 cos 24 14cos56 49 24 97 056 49 h 2 252 25 2 4 5mm nt m 49 56 4 5 11 01 h b 4 计算纵向重合度 0 318 1 24 tan 20 73 tan318 0 1z d 14 5 计算载荷系数 K 已知使用系数根据 v 7 6 m s 7 级精度 由 机械设计 第八版图 10 8 1 KA 查得动载系数 11 1 Kv 由 机械设计 第八版表 10 4 查得的值与齿轮的相同 故 KH 42 1 KH 由 机械设计 第八版图 10 13 查得 35 1 f K 由 机械设计 第八版表 10 3 查得 故载荷系数4 1 HH KK 1 1 11 1 4 1 42 2 2 HHVA KKKKK 6 按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径 由式 10 10a 得 ee 11 3 11 K dd t t K mm11 55375 1 56 49 6 1 2 2 56 49 3 3 7 计算模数 z d mn 1 1cos mm22 2 24 11 5597 0 24 14cos11 55 3 3 按齿根弯曲强度设计按齿根弯曲强度设计 由式 10 17 3 2 2 1 1 2 cos F SaFa d n YY z YT m K 3 3 1 确定计算参确定计算参数数 1 计算载荷系数 2 09 ffVA KKKKK35 1 4 111 1 2 根据纵向重合度 从 机械设计 第八版图 10 28 查得螺旋 903 1 角影响系数 88 0 Y 3 计算当量齿数 37 26 91 0 2424 14 24 97 0 coscos 333 1 1 z zV 59 106 91 0 97 14 97 coscos 33 2 2 z zv 4 查齿形系数 由表 10 5 查得 18 2 57 2 21 YYFaFa 5 查取应力校正系数 由 机械设计 第八版表 10 5 查得 79 1 6 1 21 YYSaSa 6 由 机械设计 第八版图 10 24c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 大齿轮的弯曲强度极限 MPa FE 500 1 MPa FE 380 2 7 由 机械设计 第八版图 10 18 取弯曲疲劳寿命系数 85 0 1 KFN 88 0 2 KFN 8 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S 1 4 由 机械设计 第八版式 10 12 得 ee 12 MPaMPa S F MPaMPa S F FEFN FEFN K K 86 238 4 1 38088 0 57 303 4 1 85500 0 22 2 11 1 9 计算大 小齿轮的 并加以比较 F YYSaFa 1363 0 57 303 596 1 592 2 1 11 F YYSaFa F YYSaFa 2 22 01642 0 86 238 774 1211 2 由此可知大齿轮的数值大 3 3 2 设计计算设计计算 mmmmmm mn 59 1 085 4 342 4 01642 0 65 1 88 0 8 610 2 2 3 3 2 3 2 2 4 97 0 24 14 cos 10 对比计算结果 由齿面接触疲劳强度计算的法面模数 大于由齿面齿根弯曲疲 mn 劳强度计算 的法面模数 取2 已可满足弯曲强度 但为了同时满足接触疲劳强 mn 度 需按接触疲劳强度得的分度圆直径 100 677mm 来计算应有的齿数 于是由 73 26 2 14cos11 55 cos 1 1 m d z n 取 则 取 27 1 z 81 10803 4 27 2 z 109 2 z 3 4 几何尺寸计算几何尺寸计算 3 4 1 计算中心距计算中心距 a mm mzz n 2 140 97 0 136 14cos2 2 10927 cos2 21 将中以距圆整为 141mm ee 13 3 4 2 按圆整后的中心距修正螺旋角按圆整后的中心距修正螺旋角 06 1497 0 arccos 2 1402 2 10927 arccos 2 arccos 21 a mzz n 因值改变不多 故参数 等不必修正 k ZH 3 4 3 计算大 小齿轮的分度圆直径计算大 小齿轮的分度圆直径 mm mm mz d mz d n n 224 97 0 218 14cos 2109 cos 55 97 0 54 14cos 227 cos 2 2 1 1 mma dd 5 139 2 22455 2 21 3 4 4 计算齿轮宽度计算齿轮宽度 mmb d d 5567 551 1 圆整后取 mmmm BB 61 56 12 低速级 取 m 3 30 3 z 由88 2 3 4 12 z z i 取 4 2 88 3086 4 z 87 4 z mmm mm zd zd 261873 90303 44 33 mmmma dd 5 175 2 26190 2 43 mmmmb d d 90901 3 圆整后取mmmm BB 95 90 34 ee 14 表表 1高速级齿轮 计 算 公 式名 称 代号 小齿轮大齿轮 模数m22 压力角 2020 分度圆 直径 d 2 27 54 zd m 11 2 109 218 zd m 22 齿顶高 ha 221 21 m hhh aaa 齿根高 hf 2 1 21 cm chhh aff 齿全高h m chhh a 2 21 齿顶圆 直径 da 11 2 aa m dhz m hzd aa 2 22 表表 2低速级齿轮 计 算 公 式名 称 代号 小齿轮大齿轮 模数m33 压力角 2020 分度圆 直径 d 3 27 54 zd m 11 2 109 218 zd m 22 齿顶高 ha 12 1 22 aaamhhh 齿根高 hf 2 1 21 cm chhh aff 齿全高h m chhh a 2 21 齿顶圆 直径 da 11 2 aa m dhz m hzd aa 2 22 ee 15 4 轴的设计轴的设计 4 1 低速轴低速轴 4 1 1 求输出轴上的功率求输出轴上的功率转速转速和转矩和转矩 p3 n3T3 若取每级齿轮的传动的效率 则 mN r kW n p T i n n ppp 842 7359550 76 125 69 9 9550 min 76 125 88 2 2 362 69 9 97 990 0 10 10 3 3 3 12 2 3 3210223 4 1 2 求作用在齿轮上的力求作用在齿轮上的力 因已知低速级大齿轮的分度圆直径为 mmmz d 4041014 44 N N N FF FF d T F ta n tr t 90814tan3642tan 1366 97 0 3639 0 3642 14cos 20tan 3642 cos tan 3642 404 10008 7352 2 4 3 圆周力 径向力 及轴向力 的 FtFrFa 4 1 3 初步确定轴的最小直径初步确定轴的最小直径 先按式初步估算轴的最小直径 选取轴的材料为 45 钢 调质处理 根据 机械设计 第八版表 15 3 取 于是得 112 0 A mm n p Ad 64 47077 0 112 76 125 69 9 112 3 33 3 3 0min 输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径 为了使所选的轴直径与联轴 d12 器的孔径相适应 故需同时选取联轴器型号 联轴器的计算转矩 查表考虑到转矩变化很小 故取 则 TKTAca3 3 1 KA mmNmmN TKTAca 6 9565947358423 1 3 按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件 查标准 GB T 5014 2003 或手册 Tca ee 16 选用 LX4 型弹性柱销联轴器 其公称转矩为 2500000 半联轴器的孔径 mmN 故取 半联轴器长度 L 112mm 半联轴器与轴配合的毂孔 mm d 55 1 mm d 50 21 长度 mm L 84 1 4 1 4 轴的结构设计轴的结构设计 1 拟定轴上零件的装配方案 图 4 1 2 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 1 根据联轴器为了满足半联轴器的轴向定位要示求 1 2 轴 84 50 1212 mmmml d 段右端需制出一轴肩 故取 2 3 段的直径 左端用轴端挡圈 按轴端直径取 mm d 62 32 挡圈直径 D 65mm 半联轴器与轴配合的毂孔长度 为了保证轴端挡圈只压在 mm L 84 1 半联轴器上而不压在轴的端面上 故 1 2 段的长度应比 略短一些 现取 L1 mm l 82 21 2 初步选择滚动轴承 因轴承同时受有径向力和轴向力的作用 故选用单列圆锥滚 子轴承 参照工作要求并根据 由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙 mm d 62 32 组 标准精度级的单列圆锥滚子轴承 30313 其尺寸为 d D T 65mm 140mm 36mm 故 而 mm dd 65 7643 mmmm dl 82 5 54 6565 3 取安装齿轮处的轴段 4 5 段的直径 齿轮的右端与左轴承之间 mm d 70 54 采用套筒定位 已知齿轮轮毂的宽度为 90mm 为了使套筒端面可靠地压紧齿轮 此轴 段应略短于轮毂宽度 故取 齿轮的左端采用轴肩定位 轴肩高度 mm l 85 54 故取 h 6mm 则轴环处的直径 轴环宽度 dh07 0 mm d 82 65 hb4 1 取 mm l 5 60 65 4 轴承端盖的总宽度为 20mm 由减速器及轴承端盖的结构设计而定 根据轴承 ee 17 端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求 取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距 离 l 30mm 故取 mm l 57 40 32 低速轴的相关参数 表 4 1 功率 p3 kW69 9 转速 n3 min 76 125r 转矩 T3 mN 842 735 1 2 段轴长 l 21 84mm 1 2 段直径 d 21 50mm 2 3 段轴长 l 32 40 57mm 2 3 段直径 d 32 62mm 3 4 段轴长 l 43 49 5mm 3 4 段直径 d 43 65mm 4 5 段轴长 l 54 85mm 4 5 段直径 d 54 70mm 5 6 段轴长 l 65 60 5mm 5 6 段直径 d 65 82mm 6 7 段轴长 l 76 54 5mm 6 7 段直径 d 76 65mm 3 轴上零件的周向定位 齿轮 半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接 按查表查得平键截面 d 54 b h 20mm 12mm 键槽用键槽铣刀加工 长为 L 63mm 同时为了保证齿轮与轴配合 有良好的对中性 故选择齿轮轮毂与轴的配合为 同样 半联轴器与轴的连接 6 7 n H 选用平键为 14mm 9mm 70mm 半联轴器与轴的配合为 滚动轴承与轴的周向 6 7 k H 定位是由过渡配合来保证的 此处选轴的直径公差为 m6 4 2 中间轴中间轴 4 2 1 求输出轴上的功率求输出轴上的功率转速转速和转矩和转矩 p2 n2T2 ee 18 mN rr kW n p T i n n ppp 6 263 2 362 10 10 95509550 min 2 362min 03 4 1460 10 1097 0 99 0 52 10 2 2 2 01 1 2 3200112 4 2 2 求作用在齿轮上的力求作用在齿轮上的力 1 因已知低速级小齿轮的分度圆直径为 mmmz d 140354 33 N N N FF FF d T F ta n tr t 35214tan1412tan 1412 97 0 3639 0 3765 14cos 20tan 3765 cos tan 3765 140 10006 2632 2 3 2 2 因已知高速级大齿轮的分度圆直径为 mmmz d 3991333 22 N N N FF FF d T F ta n tr t 12314tan495tan 495 97 0 3639 0 1321 14cos 20tan 1321 cos tan 1321 399 10006 2632 2 2 2 4 2 3 初步确定轴的最小直径初步确定轴的最小直径 先按式初步估算轴的最小直径 选取轴的材料为 45 钢 调质处理 根据表 15 3 取 于是得 112 0 A mm n p Ad 6 33027 0 112 2 362 10 10 112 3 33 2 2 0min 轴的最小直径显然是安装轴承处轴的直径 d12 ee 19 图 4 2 4 2 4 初步选择滚动轴承初步选择滚动轴承 1 因轴承同时受有径向力和轴向力的作用 故选用单列圆锥滚子轴承 参照工作 要求并根据 由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 标准精度级mm d 35 21 的单列圆锥滚子轴承 其尺寸为 d D T 35mm 72mm 18 25mm 故 mm dd 35 6521 mm l 8 31 65 2 取安装低速级小齿轮处的轴段 2 3 段的直径 齿mm d 45 32 mm l 8 29 21 轮的左端与左轴承之间采用套筒定位 已知齿轮轮毂的宽度为 95mm 为了使套筒端 面可靠地压紧齿轮 此轴段应略短于轮毂宽度 故取 齿轮的右端采用mm l 90 32 轴肩定位 轴肩高度 故取 h 6mm 则轴环处的直径 轴环宽度 dh07 0 hb4 1 取 mm l 12 43 3 取安装高速级大齿轮的轴段 4 5 段的直径齿轮的右端与右端轴 45 54 mm d 承之间采用套筒定位 已知齿轮轮毂的宽度为 56mm 为了使套筒端面可靠地压紧齿 轮 此轴段应略短于轮毂宽度 故取 mm l 51 54 4 2 5 轴上零件的周向定位轴上零件的周向定位 齿轮 半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接 按查表查得平键截面 d 54 b h 22mm 14mm 键槽用键槽铣刀加工 长为 63mm 同时为了保证齿轮与轴配合有 良好的对中性 故选择齿轮轮毂与轴的配合为 同样 半联轴器与轴的连接 选用 平键为 14mm 9mm 70mm 半联轴器与轴的配合为 滚动轴承与轴的周向定位是 由过渡配合来保证的 此处选轴的直径公差为 m6 中间轴的参数 表 4 2 功率 p2 10 10kw 转速 n2 362 2r min 转矩 T2 263 6mN 1 2 段轴长 l 21 29 3mm ee 20 1 2 段直径 d 21 25mm 2 3 段轴长 l 32 90mm 2 3 段直径 d 32 45mm 3 4 段轴长 l 43 12mm 3 4 段直径 d 43 57mm 4 5 段轴长 l 54 51mm 4 5 段直径 d 54 45mm 4 3 高速轴高速轴 4 3 1 求输出轴上的功率求输出轴上的功率转速转速和转矩和转矩 p1 n1T1 若取每级齿轮的传动的效率 则 mN r kW n p T nn pp m d 09 68 1460 41 10 95509550 min 1460 41 10 1 1 1 1 41 4 3 2 求作用在齿轮上的力求作用在齿轮上的力 因已知低速级大齿轮的分度圆直径为 mmmz d 72243 11 N N N FF FF d T F ta n tr t 95 470249 038 189114tan38 1891tan 55 709 97 0 3639 0 38 1891 14cos 20tan 38 1891 cos tan 38 1891 72 100009 682 2 1 1 4 3 3 初步确定轴的最小直径初步确定轴的最小直径 先按式初步估算轴的最小直径 选取轴的材料为 45 钢 调质处理 根据表 15 3 取 于是得 112 0 A ee 21 mm n p Ad 54 211 0924 1 112 13 7112 1460 41 10 112 3 3 33 1 1 0min10 输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径 为了使所选的轴直径与联轴 d12 器的孔径相适应 故需同时选取联轴器型号 联轴器的计算转矩 查表 考虑到转矩变化很小 故取 则 TKTAca1 3 1 KA mmNmmN TKTAca 88517680903 1 1 按照计算转矩 应小于联轴器公称转矩的条件 查标准 GB T 5014 2003 或 Tca 手册 选用 LX2 型弹性柱销联轴器 其公称转矩为 560000 半联轴器的孔径mmN 故取 半联轴器长度 L 82mm 半联轴器与轴配合的毂孔长度mm d 30 1 mm d 30 21 mm L 82 1 4 4 轴的结构设计轴的结构设计 4 4 1 拟定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装配方案 图 4 3 4 4 2 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 1 为了满足半联 轴器的轴向定位要示求 1 2 轴段右端需制出一轴肩 故取 2 3 段 的直径 左端用轴端挡圈 按轴端直径取挡圈直径 D 45mm 半联轴器与mm d 42 32 轴配合的毂孔长度 为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上 而不压在轴的端mm L 82 1 面上 故 段的长度应比 略短一些 现取 mm l 80 21 2 初步选择滚动轴承 因轴承同时受有径向力和轴向力的作用 故选用单列圆锥滚子 轴承 参照工作要求并根据 由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 mm